隨著電池供電的可穿戴設(shè)備越來越受歡迎，可穿戴設(shè)備制造商為保持產(chǎn)品競爭力在不斷地增加更強大的功能。對于消費者經(jīng)常使用的健身手表而言更是如此。此類設(shè)備始終處于開啟狀態(tài)，用戶不斷尋求新特性和增強的性能。
然而，增加更強大的功能通常需要改用更強大的微控制器，以便控制和監(jiān)管手表的功能。這樣做的弊端是會縮短電池續(xù)航時間，需要更頻繁地給電池充電，從而影響用戶體驗。
本文討論始終開啟型可穿戴設(shè)備對微控制器的獨特需求。首先說明如何配置始終開啟型可穿戴設(shè)備的微控制器，包括低功耗模式和自主外設(shè)。然后介紹 Texas Instruments 的 16 位微控制器和 Maxim Integrated 的 32 位微控制器，并說明如何利用這些微控制器的重要特性來促進可穿戴式設(shè)計。
始終開啟型可穿戴設(shè)備對微控制器的獨特需求
對于可穿戴設(shè)備，兩次充電之間的長續(xù)航時間可能是對最終用戶而言最重要的特性。在線評論可能會贊揚可穿戴產(chǎn)品的精度和特性，但一星失望評價與五星滿意評價之間的區(qū)別可能就在于充電間隔時間。
除了頻繁充電的不便之外，電池續(xù)航時間短還會造成其他嚴重影響。鋰可充電電池會因為頻繁充電而損害總?cè)萘浚沟秒姵亻L時間保持良好狀況變得更加困難。
此外，雖然用于充電的連接器通常很堅固，但插拔速度畢竟有限，因此每次充電都會導致磨損。
與其他消費類設(shè)備相比，可穿戴電子產(chǎn)品具有不同的功耗需求，因為可穿戴設(shè)備始終處于開啟狀態(tài)，這需要微控制器必須始終通電。通常，可穿戴電子產(chǎn)品還要進行低功耗藍牙 （BLE） 連接，藍牙必須始終處于準備就緒狀態(tài)，并能與配對的移動設(shè)備通信。請注意，可穿戴設(shè)備的無線連接將在本系列的第 3 部分中討論。
然而，可穿戴設(shè)備雖然可以在連接可用時將其數(shù)據(jù)與移動設(shè)備同步，但它還必須能夠在沒有移動連接時獨立工作數(shù)小時或數(shù)天，具體取決于預期用途。
智能手表等可穿戴設(shè)備的主要用途除了告知時間之外，還有持續(xù)監(jiān)控和記錄與 I2C 和 SPI 等串行端口相連的外部傳感器的輸入。其中可能包括：用于計步器計步的專用加速度計、用于位置跟蹤和導航功能的 GPS 無線電以及心率監(jiān)測器。雖然這些傳感器中的大多數(shù)可以由用戶個別打開和關(guān)閉，但優(yōu)秀工程師設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)該考慮到所有傳感器都打開的最壞情況。
必須持續(xù)地記錄從這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)。在許多物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 或消費類移動設(shè)備中，記錄的傳感器數(shù)據(jù)通常存儲在閃存或 EEPROM 等非易失性存儲器中。然而，對閃存或 EEPROM 的寫操作會消耗相當大的電流，致使可穿戴設(shè)備中的小電池電量快速耗盡。更好的解決方案是將傳感器數(shù)據(jù)存儲在 SRAM 中。
寫入 SRAM 消耗的電流要比寫入非易失性存儲器少得多。由于微控制器始終處于通電狀態(tài)，因此 SRAM 傳感器數(shù)據(jù)會持續(xù)得到安全的保存，除非可穿戴設(shè)備斷電，或者用戶未給電池充電而導致其電量耗盡。而存儲的傳感器數(shù)據(jù)以無線方式傳輸并存儲在移動設(shè)備中，因此即使斷電，傳感器數(shù)據(jù)也不會丟失。
為盡量降低微控制器的功耗，其中一個重要手段是自主外設(shè)。具體自主程度隨微控制器產(chǎn)品系列而變化。節(jié)省電力的另一個常見手段是：通過設(shè)置或清除電源寄存器中的某一位來禁用未使用外設(shè)的電源，并且不影響微控制器的其余部分。
可穿戴設(shè)備的微控制器的低功耗模式
了解了始終開啟型可穿戴設(shè)備對微控制器的獨特需求之后，必須確定低功耗模式應(yīng)該做什么，包括哪些是有用的，哪些是無用的。
當然，可穿戴設(shè)備的最低功耗模式即是關(guān)機狀態(tài)。大多數(shù)可穿戴設(shè)備都是通過將軟件控制的瞬動按鈕按住規(guī)定時間來啟動和關(guān)閉的，這可防止意外的電源定序。這種方式優(yōu)于機械開關(guān)，后者不僅成本效益低，而且可能被意外觸發(fā)。但是，工程師應(yīng)該假設(shè)用戶很少會關(guān)閉其設(shè)備，因此應(yīng)在兩個看似相互矛盾的假設(shè)下設(shè)計可穿戴設(shè)備：設(shè)備永遠不會被關(guān)閉，但它偶爾也會被關(guān)閉。
通常，電源管理芯片控制電池的充電，并為微控制器和傳感器的電源開啟和關(guān)斷定序。電源管理也在本系列的第 2 部分中討論。當電源管理芯片關(guān)斷可穿戴設(shè)備時，微控制器的主電源將斷開，除了實時時鐘 （RTC） 的獨立電源。這就需要微控制器能在 CPU、RAM 和大多數(shù)外設(shè)的外部電源被禁用，只有 RTC 運行的情況下工作。
當可穿戴設(shè)備關(guān)機時，讓微控制器 RTC 運行以維持正確時間是有必要的，因此微控制器應(yīng)有一個獨立的電源引腳為 RTC 持續(xù)供電。RTC 由僅耗用幾 nA 電流的低頻 32.768 kHz 振蕩器提供時鐘。如果智能手表關(guān)機后就會失去計時功能，會無法令用戶滿意，因此任何禁用 RTC 的低功耗模式都不適用于可穿戴設(shè)備。
可以禁用 CPU 以及任何未使用的外設(shè)來保存電量。必須始終保留 RAM 的內(nèi)容，這使得任何禁用整個 RAM 陣列的低功耗模式也不適用于可穿戴設(shè)備。
配置微控制器
在針對可穿戴設(shè)備優(yōu)化的微控制器中，帶有鐵電隨機存取存儲器 （FRAM） 的 Texas Instruments MSP430FR2676TPTR 16 MHz 微控制器（圖 1）是其中的佼佼者之一。它屬于 Texas Instruments MSP430FR2676 16 位 MSP430? CapTIvate? 電容式觸摸感應(yīng)微控制器，包含一個能夠通過厚玻璃檢測觸摸動作的低功耗外設(shè)。可穿戴設(shè)備上使用的玻璃屏必須厚實耐用，能夠經(jīng)得起平常的嚴苛使用，因此 CapTIvate 技術(shù)很適合于帶觸摸屏的可穿戴設(shè)備。
圖 1：Texas Instruments MSP430FR2676TPTR 超低功耗 16 位 FRAM 微控制器具有眾多外設(shè)，只需極少的外部元件即可控制簡單的可穿戴設(shè)備。（圖片來源：Texas Instruments）
MSP430FR2676TPTR 具有 64 KB 的 Texas Instruments FRAM 程序存儲器，與閃存微控制器相比，它能以更低的功耗實現(xiàn)更高的讀/寫性能。該器件具有 8 KB 的 SRAM 和一整套外設(shè)，包括 I2C、SPI 和 UART，可用于連接傳感器。32 x 32 硬件乘法器可加速乘法運算，降低功耗。
MSP430FR2676TPTR 上的 RTC 可配置為以幾微秒到數(shù)小時的間隔喚醒微控制器。這可用于喚醒 CPU 以執(zhí)行一些任務(wù)，例如定期處理傳感器數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到移動設(shè)備。
MSP430FR2676TPTR 的振蕩器和時鐘系統(tǒng)旨在降低系統(tǒng)成本并實現(xiàn)低功耗運行。該微控制器支持四個內(nèi)部生成的時鐘源和兩個外部高精度時鐘源。根據(jù)所選的低功耗模式和固件配置，這些振蕩器和時鐘可以在固件控制下啟用和禁用。為了運行外設(shè)，MSP430FR2676TPTR 提供兩個時鐘：一個運行速率與系統(tǒng)時鐘頻率一樣快的高速子系統(tǒng)主時鐘 （SMCLK） 和一個低速 40 kHz 輔助時鐘 （ACLK）。
除了活動模式（CPU 及其他一切皆啟用）之外，MSP430FR2676TPTR 還支持可配置的復雜低功耗模式。任何在 MSP430 特定低功耗模式下處于活動狀態(tài)的片載外設(shè)都可以通過固件關(guān)斷，因而它支持定制的低功耗配置。采用 MSP430FR2676TPTR 的可穿戴設(shè)備可使用以下低功耗模式 （LPMx）：
LPM0 允許運行除 CPU 外的所有單元。當自主外設(shè)需要處于活動狀態(tài)并在無 CPU 干預下全速運行時，這種模式很有用。
LPM3 禁用 CPU、高速振蕩器和 SMCLK。所有啟用的外設(shè)皆可在省電的 40 kHz ACLK 上運行。當可穿戴設(shè)備處于空閑狀態(tài)且沒有按下任何按鈕時，這種模式很有用。I2C 和 SPI 等串行外設(shè)可以自主運行以收集傳感器數(shù)據(jù)，而直接存儲器訪問 （DMA） 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?RAM。RTC 可以喚醒器件來執(zhí)行任何需要的任務(wù)。
LPM4 關(guān)閉除 RTC 外的一切單元。SRAM 關(guān)斷。這種模式對于用戶關(guān)閉可穿戴設(shè)備的情況很有用。
MSP430FR2676TPTR 可在 1.8 至 3.6 V 電壓下工作，適合與 3.6 V 鋰電池配合使用。在 RTC 運行且有最少外設(shè)的情況下，微控制器的電流可以低于 5 μA。而在主振蕩器運行時，MSP430FR2676TPTR 消耗 135 μA/MHz（典型值）。
為了讓可穿戴設(shè)備實現(xiàn)更高性能，Maxim Integrated 推出了 MAX32660GWE 32 位微控制器（圖 2）。該器件基于帶浮點單元 （FPU） 的 Arm? Cortex?-M4 內(nèi)核。MAX32660 具有 256 KB 的閃存和 96 KB 的 SRAM。SRAM 分為四個扇區(qū)。任何扇區(qū)都可以配置為：啟用以進行讀/寫操作；或進入輕度睡眠狀態(tài)以禁用讀/寫操作，同時保留內(nèi)容以節(jié)省電力；或完全禁用，以關(guān)斷該扇區(qū)的電源。
圖 2：Maxim Integrated MAX32660 專為始終開啟型可穿戴電子設(shè)備而設(shè)計。為了節(jié)省功耗，該器件僅保留了與可穿戴應(yīng)用中的外部傳感器連接所需的最少外設(shè)。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX32660 的工作頻率最高可達 96 MHz，所有外設(shè)皆運行時功耗僅為 85 μA/MHz。為了盡量減少耗電量并縮小封裝尺寸，它有一個用于可穿戴設(shè)備的最小外設(shè)集，包括兩個 SPI、兩個 I2C 和兩個 UART。
MAX32660 支持兩個內(nèi)部振蕩器：一個可通過固件禁用的 96 MHz 高速內(nèi)部振蕩器，以及一個無論何種低功耗模式皆始終開啟型低功率 8 KHz 環(huán)形振蕩器。32.768 kHz 振蕩器使用外部晶振，用于 RTC。這三個振蕩器中的任何一個都可用于為 CPU 和外設(shè)提供時鐘。
任何外設(shè)都可以通過固件關(guān)斷電源。此外，固件也可以禁用該外設(shè)的時鐘，節(jié)省寶貴的電量。
根據(jù)可穿戴設(shè)備要求，無論在何種低功耗模式，RTC 皆始終開啟，除非在活動模式下通過固件有意禁用。RTC 和時鐘位于一個單獨的部分中，稱為“始終開啟域”。該域與微控制器的其余部分隔離，確保在發(fā)生固件故障或篡改時 RTC 不受影響。
除了活動模式，MAX32660 還支持三種專為可穿戴電子設(shè)備定制的低功耗模式：
在休眠模式下，CPU 處于關(guān)閉狀態(tài)，而任何已啟用的外設(shè)都可以自主運行。當可穿戴設(shè)備處于空閑狀態(tài)，且使用 DMA 記錄和存儲傳感器數(shù)據(jù)時，這種模式會很有用。任何活動的外設(shè)都可以將 CPU 喚醒進入活動模式。
在深度休眠模式下，除了 RTC 的 32.768 kHz 時鐘外，CPU 和外設(shè)的所有內(nèi)部時鐘都關(guān)閉。固件可以將 96 MHz 內(nèi)部時鐘配置為在進入深度休眠模式時自動關(guān)閉。所有 RAM 內(nèi)容皆得到保留，包括數(shù)據(jù) SRAM 和所有外設(shè)寄存器。這對于需要軟關(guān)斷模式的可穿戴設(shè)備很有用。在這種模式下，可穿戴設(shè)備進行斷電以節(jié)省電力，但在恢復電源后需要重啟到斷電前的狀態(tài)。
后備模式是最低功耗模式。除 RTC 外，CPU 和所有外設(shè)的時鐘和電源都關(guān)閉。默認情況下，SRAM 的所有電源都禁用。當用戶關(guān)閉可穿戴設(shè)備且不保留 SRAM 內(nèi)容以節(jié)省電力時，這種模式很有用。但是，此模式可以選擇將四個 SRAM 扇區(qū)中的任何一個保持在輕度休眠狀態(tài)，以保留存儲器內(nèi)容。當可穿戴設(shè)備需要通過耗費最少的額外電流來維持最低限度狀態(tài)時，這種模式會很有用。
MAX32660 需要 1.71 至 3.63 V 的電壓，故可使用 3.6 V 鋰電池。微控制器還具有自足式電源管理單元，由于無需外部元器件，因而減少了引腳數(shù)量。它還支持電池電量計，可監(jiān)視外部電池并提供電池充電狀態(tài)的準確讀數(shù)，該讀數(shù)可顯示在可穿戴設(shè)備的用戶界面上。
總結(jié)
始終開啟型可穿戴電子設(shè)備向工程師提出了獨特的挑戰(zhàn)。即使可穿戴設(shè)備似乎已斷電，它仍然會消耗一定的電力。但是，如本文所述，設(shè)計人員可以為其設(shè)計增加功能和特性，并使用可配置的低功耗模式來維護和延長電池續(xù)航時間。
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